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전력저장장치를 적용한 주택용 태양광발전시스템에 관한 연구

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Author(s)
李康淵
Issued Date
2004
Abstract
에너지의 수요가 급증하면서 이에 따른 에너지의 수급문제가 계속적으로 대두되고 있지만 오늘날 에너지의 대부분을 석유, 원자력, 석탄 등에 의존하고 있으나 이런 에너지원은 과거 에너지 쇼크 파동을 겪으면서 자원의 고갈을 염려하지 않을 수 없는 처지에 놓여있다. 또한 지구환경문제의 제약을 받고 있는 세계는 위험요소를 내포하는 원자력과 화석원료의 사용 규제의 강화로 인해 에너지의 수급에 적잖은 어려움이 있다. 이에 무한하고 청정한 신재생에너지의 필요성이 대두되고 있는 실정이다. 이러한 요구를 충족시키는 에너지원으로 무한한 에너지인 태양광을 이용한 전기에너지의 발전을 신재생에너지로 사용하려는 움직임이 진행되고 있다.
태양광발전시스템은 상용계통에 연계되어 운전되는 계통연계형 태양광발전시스템과 전력계통과 관계없이 부하에 독립적으로 전원을 공급하는 독립형 태양광발전시스템으로 분류할 수 있다. 계통연계형 태양광발전시스템은 발전전력이 없는 밤에는 계통으로부터 전력을 공급받을 수 있기 때문에 독립형보다는 계통연계형 태양광발전시스템이 안정적이고 상용전력의 부하분담효과에 어느 정도 실효를 거둘 것으로 내다보고 있다. 그러나 이런 계통연계형 발전시스템은 그 원천이 계통에 있으므로 실질적으로 계통(상용전력)에 문제가 발생할 경우 부하에 전력을 공급하지 못하는 문제점이 있다.
따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 보안하고자 소규모의 계통연계형 태양광발전시스템의 계통에 이상이 발생하여도 부분적으로 독립운전이 가능하도록 BESS(Battery Energy Storage System)시스템을 구성하여 부하에 전력을 안정적으로 공급하기위한 시스템을 제안하여 실부하에 전력을 안정적으로 공급하고 주택용 부하의 용량에 따라 계통으로의 전력을 되돌려주어 가정용부하가 피크인 야간시간대의 부하를 중점적으로 분담하도록 설계함으로써 전체계통에서는 전력의 분담효과를 거두고 낮 시간대의 잉여전력을 계통에 공급함으로써 사무실 등과 같은 낮 시간대에 부하가 많이 걸리는 곳에 공급할 수 있는데 역점을 두어 시스템을 구성하여 전체계통의 전력분담 효과 및 계통고장시의 문제점 해결을 입증하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
PV어레이와 부스터컨버터, 인버터, 전력저장시스템을 구성하여 전력공급의 안정화를 꾀하고 전력의 수급에 있어 안정적인 운전이 가능하였다. 또한 전체 소비전력중 상당부분을 주택용의 피크시에 감당하고, 낮 시간대의 잉여전력을 계통으로 보내 낮 시간대에 소비가 늘어나는 사무실등의 부하분담을 할 수 있을 것으로 사료되며, 통상적인 태양광발전에 있어 독립형과 계통연계형이 아닌 독립운전도 가능하면서 계통과의 연계를 통한 운전시스템의 구현에 있어 독립운전시 PV어레이의 출력전압과 출력전류를 확인하였으며, 인버터 출력전압과 전류를 확인하였다. 또한 기후의 변화에 따른 PV어레이의 출력의 변화에 따라 배터리로부터의 안전한 운전이 가능함을 알 수 있었다. 또한, 계통연계운전시 양방향컨버터를 통한 충전과 부하에 적절히 전력이 공급되었으며 가상적인 계통의 이상시에도 배터리로부터 부하에 적절히 전력을 공급하였다.
그러나 태양광발전이 되지 않는 시간대에 장시간 계통에 문제가 발생했을 때에는 배터리만으로 부하에 전력을 공급하므로 대용량의 배터리를 사용해야 하나 이 경우 많은 비용이 소요되므로 경제적인 단점을 극복하기 위하여 적당한 용량의 배터리를 사용하면서 적절한 운전을 위해 단계적인 부하의 감축이 가능한 시스템을 설계하는 것이 필요할 것으로 사료되며, 추후 연구과제로는 배터리의 수명과 용량에 관련한 연구추이에 따라 계통의 장시간 이상시 전력 수급의 불안을 자체적으로 해소할 수 있는 방안을 강구할 필요가 있을 것으로 사료된다.
Photovoltaic is an attractive technology to remote power applications, because of its reliability, low maintenance, and zero fuel requirements. In order to protect global warming due to the greenhouse effect, the use of renewable energy such as solar energy must be prompted. The demand of electric power generated by photovoltaic(PV) systems is increasing favorably as it was expected. Thus it has tremendous potential for widespread use in bringing electricity to villages and towns of developing countries for uses such as pumping water, lighting, refrigeration, communication and small industry.
Photovoltaic system consist of PCS and solar cell array for generating DC power source through the solar lighting. It is very important that algorithm on the MPPT performance with variable irradiation in daytime. And also, it is important that inverter performance for convert electrical energy from DC power source to AC power.
The part of inverter operate not only power converting, but also interconnect with electric power distribution line.
Photovoltaic system classified in two, one is utility interconnected PV, the other is independent PV system with energy storage device. Because it can be electric power supplied in the night when PV system have no generating power, it is more stable and effective structure grid connected than independent system. Grid connected system have a weak point that, if happen to accident on the utility line, PV system have will malfunction.
For overcome its weaknesses, I proposed a utility interconnected photovoltaic energy storage system, in which the PV power is controlled by a converter and transferred to a battery energy storage system. The proposed PV energy storage system consist of a PV array, a DC converter, and a single phase battery energy storage system. Although malfunction occur on distribution line such as interruption of electric power, PV system operate independently in partially.
In this paper presents residential PV system based on battery energy storage system for managing the electric power, a pattern of daily operation considering the load characteristics of the house, the generation characteristics of PV power, and utility power leveling.
For apply to control algorithm, we consider the load on monthly power consumption trend and daily usage pattern. As for the control of the proposed system, to increase the conversion efficiency of the PV power, bidirectional converter is used for MPPT and SPWM inverter. An experimental system is implemented, and some experimental results are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed system.
Alternative Title
A Study on the Residential Photovoltaic System with Power Storage Device
Alternative Author(s)
Lee, Kang-Yeon
Affiliation
朝鮮大學校 大學院
Department
산업대학원 전기공학과
Advisor
白亨來
Awarded Date
2005. 2
Table Of Contents
목차
Ⅰ. 서론 = 1
Ⅱ. 이론적 고찰 = 4
A. 태양전지 = 4
1. 태양전지의 원리 및 구조 = 4
2. 태양전지의 특성 = 7
B. 태양광발전시스템의 종류 = 23
1. 독립형 태양광발전시스템 = 23
2. 계통연계형 태양광발전시스템 = 26
C. MPPT 제어 = 33
1. P&O MPPT제어 알고리즘 = 34
2. IncCond MTTP제어 알고리즘 = 36
D. 전력저장장치 = 38
1. 배터리 충·방전특성 = 38
2. 납축전지 잔존용량 측정법 = 40
3. 배터리 용량 산정 = 41
Ⅲ. 시스템 구성 = 43
A. 시스템 동작모드 = 43
B. 시스템의 제어 = 47
1. PV 제어부 = 48
2. MPPT 제어 = 49
3. 전류모드 제어기 = 51
4. BESS 제어부 = 53
5. 동작모드제어 = 56
Ⅳ. 시뮬레이션 = 58
A. 태양전지 출력특성 = 58
B. MPPT제어 특성 = 63
Ⅴ. 실험 = 70
A. 실험장치 = 70
1. 인버터 = 75
2. 태양전지 모듈 = 78
3. 배터리 = 79
B. 소비전력과 PV발전전력 = 80
1. 전력수용가의 소비패턴 = 80
2. 발전전력 = 83
C. 실험결과 및 고찰 = 87
Ⅵ. 결론 = 93
참고문헌 = 95
Degree
Doctor
Publisher
朝鮮大學校 大學院
Citation
李康淵. (2004). 전력저장장치를 적용한 주택용 태양광발전시스템에 관한 연구
Type
Dissertation
URI
https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/1886
Appears in Collections:
Engineering > Theses(Ph.D)(산업기술창업대학원)
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